機器人末端操作器

1、機器人末端操作器第1頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2.1 工業(yè)機器人手部(手爪)結(jié)構(gòu)第2頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四引言：工業(yè)機器人的手部也叫末端操作器，它直接裝在工業(yè)機器人的手腕上用于夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。第3頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四一、手部的特點第4頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四1手部與手腕相連處可拆卸：手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據(jù)夾持對象的不同，手部結(jié)構(gòu)會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和

2、互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅(qū)動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。第5頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。 第6頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四末端操作器圖例（1）：每個手指有三個或四個關(guān)節(jié)。技術(shù)關(guān)鍵是手指之間的協(xié)調(diào)控制。第7頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四3手部是一個獨立的部件：工業(yè)機器人通常分為三個大的部件：機身、手臂（含手腕）、手部。手部對整個機器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系著夾持

3、工件時的定位精度、夾持力的大小等。第8頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四4手部的通用性比較差：工業(yè)機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。第9頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四二、手部的設(shè)計要求具有足夠的夾持力。保證適當(dāng)?shù)膴A持精度：手指應(yīng)能順應(yīng)被夾持工件的形狀，應(yīng)對被夾持工件形成所要求的約束?？紤]手部自身的大小、形狀、機構(gòu)和運動自由度：主要是根據(jù)作業(yè)對象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量、硬度和表面質(zhì)量等來綜合考慮。智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器：由于感知手爪和物體之

4、間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實際工況進行調(diào)整等。第10頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四三、手部的構(gòu)成主要有手指、驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成。 第11頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四四、手部的分類第12頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四用在工業(yè)上的機器人的手是機器人直接用于抓取和握緊(吸附)專用工具(如噴槍、扳手、 焊具、 噴頭等)進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能, 并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、 重量、 材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同,因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的第13頁

5、，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四1按用途分：手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。抓?。涸诮o定的目標位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準確的相對位置關(guān)系，以保持機器人后續(xù)作業(yè)的準確性。握住：確保工件在搬運過程中或零件裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準確性。釋放：在指定位置結(jié)束手部和工件之間的約束關(guān)系。工具：進行作業(yè)的專用工具。第14頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四工件的定位和夾緊：F第15頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2按夾持方式分： 外夾式：手部與被夾件的

6、外表面相接觸。內(nèi)撐式：手部與工件的內(nèi)表面相接觸。內(nèi)外夾持式：手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸。第16頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四夾持方式圖例：ZXY第17頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四3按手爪的運動形式分：回轉(zhuǎn)型：當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型：手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。平移型：當(dāng)手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。第18頁，共78頁，2022年，5月20日

7、，20點54分，星期四回轉(zhuǎn)型圖例：壓縮彈簧拉伸彈簧第19頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四平動型圖例：第20頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四平移型圖例：此時手部是張開還是合攏？第21頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四4按夾持原理分： 手指式：外夾式、內(nèi)撐式、內(nèi)外夾持式。平移式、平動式、旋轉(zhuǎn)式。二指式、多指式。單關(guān)節(jié)式、多關(guān)節(jié)式。吸盤式：負壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。第22頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四(1) 夾鉗式取料手；(2) 吸附式取料手；(3) 專用操作

8、器及轉(zhuǎn)換器； (4) 仿生多指靈巧手。 第23頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2.1.1 夾鉗式取料手夾鉗式手部與人手相似, 是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。 它一般由手指(手爪)和驅(qū)動機構(gòu)、 傳動機構(gòu)及連接與支承元件組成, 如圖2.2所示, 能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的夾持。 第24頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.2 夾鉗式手部的組成 第25頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四1. 手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件, 就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指, 也有

9、三個或多個手指,其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。 指端的形狀通常有兩類: V型指：用于夾持圓柱形工件。 平面指：用于夾持方形工件(具有兩個平行平面), 板形或細小棒料。第26頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.3 V型指端形狀(a) 固定V型； (b) 滾柱V型； (c) 自定位式V型 第27頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.4 夾鉗式手的指端 第28頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四指面的形狀1、光滑指面平整光滑, 用來夾持已加工表面, 避免已加工表面受損。 2、齒形指面的指面刻有齒紋, 可增加夾

10、持工件的磨擦力,以確保夾緊牢靠, 多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品。3、柔性指面內(nèi)鑲橡膠、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保護工件表面、 隔熱等作用, 一般用于夾持已加工表面、熾熱件,也適于夾持薄壁件和脆性工件。 第29頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2. 傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力, 以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動,又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。 (1) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部, 其手指就是一對杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿

11、、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機構(gòu), 用以改變傳動比和運動方向等。 第30頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.5 斜楔杠桿式手部 第31頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.6 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部 第32頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖2.6所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡圖, 杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開有長滑槽。 驅(qū)動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi), 當(dāng)驅(qū)動連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運動時, 即可撥動兩個手指各繞其支點(鉸銷3)作相對回轉(zhuǎn)運動, 從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。 第33頁

12、，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖2.7所示為雙支點連桿杠桿式手部簡圖。 驅(qū)動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接, 當(dāng)驅(qū)動桿2作直線往復(fù)運動時, 則通過連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉(zhuǎn)運動, 從而使手指松開或閉合。 第34頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.7 雙支點連桿杠桿式手部 第35頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖2.8所示為齒輪齒條直接傳動的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動桿2末端制成雙面齒條,與扇齒輪4相嚙合, 而扇齒輪4與手指5固連在一起, 可繞支點回轉(zhuǎn)。驅(qū)動力推動齒條作直線往復(fù)運動, 即可帶動扇齒輪回轉(zhuǎn), 從

13、而使手指松開或閉合。 第36頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部 第37頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四(2) 平移型傳動機構(gòu)。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復(fù)運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的, 常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。 直線往復(fù)移動機構(gòu):實現(xiàn)直線往復(fù)移動的機構(gòu)很多, 常用的斜楔傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)。 如圖2.9所示中，(a)為斜楔平移機構(gòu), (b)為連桿杠桿平移結(jié)構(gòu), (c)為螺旋斜楔平移結(jié)構(gòu)。 它們既可是雙指型的, 也

14、可是三指(或多指)型的; 既可自動定心, 也可非自動定心。 第38頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.9 直線平移型手部 第39頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四 平面平行移動機構(gòu)： 圖2.10所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡圖。 它們的共同點是: 都采用平行四邊形的鉸鏈機構(gòu)雙曲柄鉸鏈四連桿機構(gòu), 以實現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、 蝸桿蝸輪、 連桿斜滑槽的傳動方法。 第40頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.10 四連桿機構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu) 第41頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54

15、分，星期四氣動手爪圖例：問題：1、分析手部的運動。2、手部作的是什么類型運動？第42頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四手部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例第43頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四1平行指手爪機構(gòu)：工作原理： 回轉(zhuǎn)動力源1和6驅(qū)動構(gòu)件2和5順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，通過平行四邊形機構(gòu)帶動手指3和4作平動，夾緊或釋放工件。第44頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2設(shè)有檢測開關(guān)的手爪裝置：工作原理： 手爪裝有限位開關(guān)5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的過程中，限位開關(guān)檢測手爪與工件的相對位置。當(dāng)工件接觸限位開關(guān)時發(fā)信號，汽缸通過連桿3

16、驅(qū)動指爪夾緊工件。第45頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四電磁式吸盤氣吸式吸盤常見的另兩種手部:滾動軸承座圈鋼板齒輪多孔鋼板雙吸頭吸盤多吸頭吸盤吸取瓦楞板雙吸頭吸盤雙吸頭架式吸盤多吸頭板式吸盤第46頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2電磁吸盤(1)： 電磁吸盤的結(jié)構(gòu)： 主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：夾持工件：線圈通電空氣間隙的存在線圈產(chǎn)生大的電感和啟動電流周圍產(chǎn)生磁場（通電導(dǎo)體一定會在周圍產(chǎn)生磁場）吸附工件放開工件：線圈斷電磁吸力消失工件落位 第47頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四電磁吸盤圖例:第48頁

17、，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2電磁吸盤(2)： 適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。適合于定位精度要求不高的工件。適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。第49頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四3真空式吸盤：構(gòu)成:由真空泵、電磁閥、電機和吸盤等構(gòu)成。工作原理：形成真空吸附工件：電機真空泵3電磁閥左側(cè)從吸盤5處抽氣釋放工件：電機、泵停轉(zhuǎn)大氣經(jīng)6口 4電磁閥左側(cè) 3電磁閥右側(cè)送氣至吸盤5處第50頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分

18、，星期四真空吸盤控制系統(tǒng)圖例：1DT2DT第51頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四真空吸盤結(jié)構(gòu)圖例：第52頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四4自適應(yīng)吸盤：結(jié)構(gòu)特點： 該吸盤具有一個球關(guān)節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。第53頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四5異形吸盤：結(jié)構(gòu)特點： 可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。擴大了真空吸盤在機器人上的應(yīng)用。第54頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四6噴氣式吸盤：工作原理：壓縮空氣進入噴嘴后，利用伯努利效應(yīng)，當(dāng)壓縮空氣剛進入時，由于噴嘴口逐漸縮小，致使氣流

19、速度逐漸增加。當(dāng)管路截面收縮到最小處時，氣流速度達到臨界速度，然后噴嘴管路的截面逐漸增加，使與橡膠皮碗相連的吸氣口處，造成很高的氣流速度而形成負壓。應(yīng)用：在工廠一般都有空壓站，噴氣式吸盤在工廠得到廣泛的應(yīng)用。第55頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四噴氣式吸盤圖例：第56頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2.1.3 專用操作器及轉(zhuǎn)換器1. 專用末端操作器機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作, 再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人, 安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。目

20、前有許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器, 如圖2.19所示, 有擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等。 所形成的一整套系列供用戶選用, 使機器人能勝任各種工作。 第57頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖2.19還有一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人手腕, 電磁吸盤直徑60 mm, 質(zhì)量為1 kg,吸力1100 N, 換接器可接通電源、信號、壓力氣源和真空源,電插頭有18芯,氣路接頭有5路。為了保證聯(lián)接位置精度,設(shè)置了兩個定位銷。在各末端操作器的端面裝有換接器座,平時陳列于工具架上,需要使用時機器人手腕上的換接器吸盤可從正面吸牢換接器座,接通電源和氣

21、源, 然后從側(cè)面將末端操作器退出工具架, 機器人便可進行作業(yè)。 第58頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器 第59頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2. 換接器或自動手爪更換裝置使用一臺通用機器人,要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器, 就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成: 換接器插座和換接器插頭, 分別裝在機器腕部和末端操作器上,能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對末端操作器的快速自動更換。 專用末端操作器換接器的要求主要有:同時具備氣源、電源及信號的快速聯(lián)接與切換; 能承受末端操作器的工作載荷;

22、 在失電、 失氣情況下, 機器人停止工作時不會自行脫離;具有一定的換接精度等。 第60頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖2.20所示為氣動換接器和專用末端操作器庫。該換接器也分成兩部分: 一部分裝在手腕上, 稱為換接器; 另一部分裝在末端操作器上, 稱為配合器。利用氣動鎖緊器將兩部分進行聯(lián)接, 并具有就位指示燈以表示電路、 氣路是否接通。 第61頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.20 氣動換接器與專用末端操作器庫 第62頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.21 專用末端操作器庫 第63頁，共78頁，2022

23、年，5月20日，20點54分，星期四3. 多工位換接裝置某些機器人的作業(yè)任務(wù)相對較為集中,需要換接一定量的末端操作器, 又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫。這時， 可以在機器人手腕上設(shè)置一個多工位換接裝置。例如,在機器人柔性裝配線某個工位上,機器人要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件, 裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個供料處依次抓取幾種零件, 然后逐個進行裝配, 既可以節(jié)省幾臺專用機器人,也可以避免通用機器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時間。 第64頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四多工位換接裝置如圖2.22所示, 就像數(shù)控加工中心的刀庫一樣, 可以有棱錐型和棱柱型兩種形式

24、。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致, 受力較合理,但其傳動機構(gòu)較為復(fù)雜;棱柱型換接器傳動機構(gòu)較為簡單, 但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致, 受力不良。 第65頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四圖 2.22 多工位末端操作器換接裝置(a) 棱錐型； (b) 棱柱型 第66頁，共78頁，2022年，5月20日，20點54分，星期四2.1.4 仿生多指靈巧手1. 柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取, 并使物體表面受力比較均勻, 因此研制出了柔性手。如圖2.23所示為多關(guān)節(jié)柔性手腕,每個手指由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成,每個手指由兩根鋼絲繩牽引, 一側(cè)為握緊, 另一側(cè)為放松。 驅(qū)動源可采用電機驅(qū)動或液壓、氣動元件驅(qū)動。 柔性手腕可抓取凹凸不